虚拟仪器课程设计.docx

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虚拟仪器课程设计

湖南科技大学

课程设计

课程设计名称：

《虚拟仪器》课程设计

学生姓名：

刘峥嵘

学院：

机电工程学院

专业及班级：

测控三班

学号：

0903030318

指导教师：

毛征宇郭迎福王靖

2012年12月29日

摘要

LabVIEW是美国NationalInstruments（简称NI）公司推出的图形化软件开发环境。

基于LabVIEW的虚拟信号频谱分析仪，可以产生一个周期信号并进行图形显示，信号的幅值、相位和频率可调，并对产生的周期信号，进行频谱分析并图形显示。

基于LabVIEW的相关分析虚拟实验仪器，可以测试两个三角波信号的互相关函数以及测试4种典型信号的自相关函数。

关键词LabVIEW频谱分析互相关自相关

目录

第一章设计题目及要求················································1

1.1虚拟信号频谱分析仪设计············································1

1.2相关分析虚拟实验仪器设计··········································1

第二章虚拟信号频谱分析仪的方案设计································2

2.1虚拟信号频谱分析仪的原理··········································2

2.2总体方案设计的确定················································2

第三章虚拟信号频谱分析仪程序实现··································3

3.1前面板的设计和规划················································3

3.2程序框图设计······················································4

第四章虚拟信号频谱分析仪的调试运行································6

第五章相关分析虚拟实验仪器的方案设计······························8

5.1相关分析虚拟实验仪器的原理········································8

5.2总体方案设计的确定················································9

第六章互相关分析虚拟仪的程序实现·································10

6.1前面板的设计和规划···············································10

6.2程序框图设计·····················································11

第七章互相关分析的调试运行········································12

第八章自相关分析虚拟实验仪器的程序实现··························14

8.1前面板的设计和规划···············································14

8.2程序框图设计·····················································15

第九章自相关分析的调试运行········································16

第十章总结与体会····················································19

参考文献································································20

第一章设计题目及要求

1.1虚拟信号频谱分析仪设计

设计要求和功能描述：

要求：

模拟产生一个周期信号（可选择方波、三角波、锯齿波等中的一个）并进行图形显示；信号的幅值、相位和频率可调；对产生的周期信号，进行频谱分析并图形显示。

功能描述：

可观察产生波形等经过FFT后的幅值谱。

并分析调试结果。

1.2相关分析虚拟实验仪器设计

设计要求和功能描述：

要求：

可测试四种典型信号的自相关函数；可测试两个正弦函数的互相关函数。

第二章虚拟信号频谱分析仪的方案设计

本设计所要求是利用波形函数产生一个频率、幅值、相位可调的信号，进行图形显示。

并利用FFT函数对其进行傅里叶变换，把幅值谱在前面板显示出来。

2.1虚拟信号频谱分析仪的原理

本设计的虚拟频谱分析仪即可以对虚拟信号发生器所产生的信号进行频谱分析，也可以对通过信号调理器，基于PCI总线的DAQ卡组成的采集系统所采集到的外部信号进行频谱分析。

其中，在对外部信号进行频谱分析时，外界被测信号首先传送到信号调理电路，且由信号调理电路对它进行放大、滤波、隔离等处理后，再经数据采集卡进行A/D转换以将模拟信号转换为数字信号，然后由软件对被测试信号进行频谱分析和处理，最后得到测试结果，并按要求将它们显示或储存起来。

2.2总体方案设计的确定

本设计主要有三个重点，信号生成、波形显示、傅立叶变换。

信号生成直接由LabVIEW提供的信号模拟，并在频率、幅值、相位采用输入控件进行输入，达到可变的目的。

波形由前面板的波形图控件显示，波形图将传递给它的数据一次全部显示在描绘区中，新的数据到达时将原来的数据全部刷新。

利用LabVIEW中的FFT函数可以对信号进行傅里叶变换，并通过一个‘复数至极坐标转换’函数（使复数分解为极坐标分量），然后由波形图进行显示。

程序运行的流程图如下：

图2.1流程图

第三章虚拟信号频谱分析仪程序实现

3.1前面板的设计和规划

根据任务要求所要实现的目的确定前面板所需要的相应控件和显示板。

3.1.2控件和显示件的确定

本设计要求信号的幅值、频率、相位可调，再加上信号的采样需要确定采样点数和采样频率，所以需要五个数值型输入控件。

设计要求进行波形显示和频谱分析图形显示，所以需要两个图形显示控件。

这里选用波形图。

根据要求再需要加入两个布尔控件，一个停止按钮和一个滑动开关，滑动开关作为相位复位选择按钮。

3.1.3前面板的布置

连续执行“控件→数值→数值输入控件”操作，在板面设计窗口中放置五个数值输入控件，这些控件分别用于设定采样信号的相关参数，并把标签分别改为采样点数、采样频率、初始相位、信号频率、信号幅值。

连续执行“控件→图形→波形图”操作，在板面设计窗口中放置两个图形显示控件波形图，这两个控件分别用来显示三角波时域波形和FFT图，把控件的标签分别改为时域波形和FFT波形。

执行“控件→布尔→滑动开关/停止按钮”操作，在板面设计窗口中放置两个布尔控件，一个停止按钮和一个滑动开关，并把滑动开关的标签改为相位复位用来给相位复位。

然后对文本进行字体、字号和颜色设置，并在“控件→修饰”中选用平面框对控件布局进行调整，使之更规范、工整，得到前面板如图所示。

图3.1前面板

3.2程序框图设计

3.2.1程序的分析

本设计需要生成一个三角波信号，并进行傅立叶变换，所以这里主要是用到了波形生成函数和FFT函数，然后把输出的信号数据通过簇捆绑，在波形图控件上显示。

3.2.2程序框图的实现

函数的调用：

分别执行“函数→信号处理→波形生成”和“函数→信号处理→变换”调用三角波函数和FFT函数。

执行“函数→数值→复数”调用复数至极坐标转换函数，对FFT变换后的复数转换成极坐标。

执行“函数→簇、类、变体”，选择两个簇捆绑函数，这是用来捆绑数据生成波形图。

函数的功能：

把相位复位、采样点数、信号幅值、初始相位分别与三角波函数的重置相位、采样、幅值、相位输入接点相连，把信号频率与采样频率的商与三角波函数的频率接点相连，这样就可以改变输出波形的相位、幅值、频率了。

FFT函数的输入端连接三角波的输出端，把三角波函数生成的信号数组进行傅立叶变换后，输出FFT数据。

复数至极坐标转换函数是使复数分解成极坐标分量，这里是把FFT函数输出的复数数据进行转换在波形图显示出来。

连接好所有函数与控件，得到的程序框图如图3.2。

图3.2程序框图

第四章虚拟信号频谱分析仪的调试运行

把采样点数、采样频率、初始相位、信号幅值、信号频率分别设置为100、10、0、1、2，运行结果如下图。

图4.1运行结果一

改变采样点数、信号幅值、信号频率，得到的运行结果如下：

图4.2运行结果二

经以上调试运行，证明该设计符合要求，是一个可行的虚拟信号频谱分析仪。

第五章相关分析虚拟实验仪器的方案设计

本设计主要是利用自相关函数和互相关函数来进行信号分析处理，可以用来测试典型信号的互相关函数和自相关函数。

5.1相关分析虚拟实验仪器的原理

相关是指两个变量之间的线性关系。

相关分析是分析两个信号之间关系或一个信号在一定时移前后之间关系的重要工具。

在实际工程领域、相关测速和利用相关原理探测管道破裂点、识别信号类别成分等得到广泛应用。

相关函数可以用相关分析仪测量。

相关分析仪有模拟式和数字式两种。

使用LabVIEW提供的函数可以构建一台数字式的相关分析仪。

两模拟信号x（t）和y（t）做数字化处理后，他们的相关函数表达式应为：

（5-1）

式中N=沿时间轴的总采样数；

i=沿时间轴的采样序数；

r=间断时移值

作为有限长采样的相关函数估计为

（5-2）

用这一公式做离散相关的步骤是：

（1）r=0,将所有对应采样点的x（i）和有y（i）相乘；

（2）将所有的乘积相加；

（3）以总采样点数做平均，得到相关函数的一个值。

（4）取=1，将所有对应采样点的和相乘，然后相加，平均，得到。

依次取=1，=2，=3，.....按以上步骤重复计算后得到相关函数的各个值。

在X（i）和Y（i）二离散序列长度相等时，计算Rxy（0）可以用全部计算长度数据来计算，而下一步计算时因y（i）做一步时移，使可提供计算的序列长度由N变为N-1。

且随时移增大，可提供计算的序列长度越来越短，所以互相关函数的估值应为：

（5-3）

与此类似，自相关函数的估值为：

（5-4）

labvIEW在“信号处理信号运算”函数子选板中提供了求互相关的VI——crosscorrelation，它所用的算法为：

（5-5）

求自相关的VI所用的算法为：

（5-6）

式（5-5）和式（5-6）的算法仅适用于确定性信号中的瞬态信号，所以在一般情况下需要加以修正。

这里提供的程序（ModiCorrelation）用于完成这一修正，它的程序框图如图5-1所示。

此VI对labvIEW求出的相关函数进行修正，将每个相关值除以（N-r）。

N式labvIEW求出的相关函数输出数组的长度，r是时移的位置。

参数Rxxin式labvIEW求出的相关函数值，Rxxout是修正后的相关函数值，samples是取样数，d是输出相关函数首尾截去的百分比（把移位造成的重叠太少而没有意义的部分截掉）。

N是截短后的取样数。

图5-1ModiCorrelationVI

5.2总体方案设计的确定

在本设计中，把互相关分析和自相关分析分开来进行设计，即需要进行两个程序的设计。

这里主要应用到了互相关函数、自相关函数以及ModiCorrelationVI。

第六章互相关分析虚拟仪的程序实现

6.1前面板的设计和规划

根据任务要求所要实现的目的确定前面板所需要的相应控件和显示板。

6.1.1控件和显示件的确定

根据任务要求，本设计需要两个波形图显示控件，两个数值输入控件，两个水平进度条，一个旋钮，还有一个布尔停止按钮。

6.1.2前面板的布置和功能

连续执行“控件→数值”提取“数值输入控件”、“水平进度条”、“旋钮”，这些控件主要是用来控制输入三角波的频率和相位。

执行两次“控件→图形→波形图”，这两个波形图用来显示波形时域信号和互相关函数图形。

然后对文本进行字体、字号和颜色设置，并在“控件→修饰”中选用平面框对控件布局进行调整，使之更规范、工整，得到前面板如图所示。

图6-1互相关实验前面板

6.2程序框图设计

按图6-2编写互相关分析虚拟实验仪的程序框图。

图中的“三角波”是“信号处理→信号生成”函数子选板中的VI，这两个VI用来产生三角波信号。

三角波VI的“频率”参数是数字频率，等于模拟频率除以采样率；“采样”参数是样本数；“相位输入”参数是用度表示的相位；幅值设为1。

执行“函数→信号处理→信号运算”，调出互相关函数，然后执行“函数→选择VI”调出ModiCorrelationVI。

连接好所有函数与控件，得到的程序框图如图：

图6-2互相关实验程序框图

第七章互相关分析的调试运行

把两个通道的频率都设置为100Hz，运行结果如下：

图7-1运行结果一

把一通道和而二通道的频率分别设置为100Hz和104Hz，一、二通道的相位都改为0度，把时标调至5附近，运行结果如下：

图7-2运行结果二

经调试运行，分析运行结果，可知不同频不相关，同频相关。

第八章自相关分析虚拟实验仪器的程序实现

8.1前面板的设计和规划

根据任务要求所要实现的目的确定前面板所需要的相应控件和显示板。

8.1.1控件和显示件的确定

根据任务要求，本设计需要两个波形图显示控件，五个数值输入控件，一个旋钮，一个垂直摇杆开关，还有一个布尔停止按钮。

8.1.2前面板的布置和功能

连续执行“控件→数值”提取“数值输入控件”、“旋钮”，这些控件主要是用来控制输入三角波的频率和相位、滤波器的参数设置和噪声幅值设置。

执行两次“控件→图形→波形图”，这两个波形图用来显示波形时域信号和自相关函数图形。

然后对文本进行字体、字号和颜色设置，并在“控件→修饰”中选用平面框对控件布局进行调整，使之更规范、工整，得到前面板如图所示。

图8-1自相关实验前面板

8.2程序框图设计

程序框图中的三角波VI设采样率等于4096；取样数设为1024。

均匀白噪声VI取样数设为1024。

巴特沃斯滤波器VI设置为带通（Bandpass），阶次为3。

自相关VI用来求出原始信号的自相关函数，ModiCorrelationVI并进行修正，设计完整的程序框图如下

图8-2自相关实验程序框图

第九章自相关分析的调试运行

设置噪声幅值为0，信号幅值为1—5，信号频率30—100HZ，观察正弦信号的自相关函数图形。

调节信号频率和幅值，观察自相关函数图形的如图9-1。

图9-1结果一

设置信号频率300HZ左右，信号幅值为5，噪声幅值10，带通滤波器的低端截止频率设置为1HZ，高端截止频率为500HZ，观察正弦波加随机信号的自相关函数图形如图9-2。

图9-2结果二

设置信号幅值0，噪声幅值10，带通滤波器的低端截止频率设置为240HZ，高端截止为300HZ，观察窄带随机信号的自相关函数图形图9-3。

图9-3结果三

设置信号幅值0，噪声幅值10，带通滤波器的低端截止频率设置为200HZ，高端截止频率为2000HZ，观察宽带随机信号的自相关函数图形图9-4。

图9-4结果四

第十章总结与体会

本次虚拟仪器的课程设计用时两周，结合了之前所学的知识，把理论知识付诸了实践，提升了我们的认识。

在这次课程设计中，由于第一次接触基于LabVIEW的设计，有着不少的困惑，但经过自己查阅资料，以及老师、同学的帮助，还是不错的完成了设计任务，使我们获益匪浅。

在这其中，也使我们自己认识到我们实践的不足，知识面狭窄，今后我们应该扩宽知识认知，注重实践。

参考文献

[1]NationalInstrumentsCorporation.测量与自动化产品目录.2007.

[2]胡广书.数字信号处理.北京：

清华大学出版社.1997.

[3]吴正毅.测试技术与测试信号处理.北京：

清华大学出版社.1991.

[4]NationalInstrumentsCorporation.LabVIEW基础.2006.

[5]雷振山.LabVIEW7Express实用技术教程.北京：

中国铁道出版社.2004.